Wędrówki receptorów jonotropowych — do synapsy i z powrotem

Wędrówki receptorów jonotropowych — do synapsy i z powrotem

Wędrówki receptorów jonotropowych
— do synapsy i z powrotem
Streszczenie
P
obudzająca transmisja synaptyczna w mózgu oparta jest na glutaminianie i angażuje
głównie receptory jonotropowe AMPA i NMDA (nazwy pochodzą od selektywnych
agonistów receptorów), zazwyczaj współwystępujące w synapsie. Regulacja liczby i właściwości tych receptorów jest ważnym elementem kontroli, zapewniającej właściwe przekazywanie informacji z neuronu do neuronu, ale również przyczynia się do powstawania zmian
plastycznych, leżących u podstaw dojrzewania układu nerwowego, uczenia się i pamięci.
Receptory glutaminianu nie są statycznymi elementami synapsy, przeciwnie, są dostarczane do i usuwane z błon synaptycznych w sposób regulowany przez aktywność neuronalną,
czyli przez stopień pobudzenia elektrycznego neuronu, lub raczej sieci neuronów, wskutek
działania specyficznych bodźców. Regulacja przemieszczania się receptorów do synaps jest
wieloetapowa i obejmuje transport z siateczki śródplazmatycznej, wędrówkę wzdłuż dendrytów oraz lokalny transport w zakończeniu synaptycznym. Proces ten kontrolują liczne
białka, oddziałujące z receptorami poprzez domeny PDZ oraz same receptory, mogące regulować swoją liczebność w synapsie.
WPROWADZENIE
Neurony w układzie nerwowym przekazują między sobą informację dzięki
wyspecjalizowanym strukturom – synapsom. W trakcie pobudzenia neuronu z
zakończenia presynaptycznego do szczeliny synaptycznej uwalniany jest neuroprzekaźnik, aktywujący specyficzne receptory jonotropowe, w których skład
wchodzi kanał jonowy, umiejscowione w błonie postsynaptycznej. Aktywacja
tych receptorów powoduje otwarcie tych kanałów, napływ jonów do wnętrza
komórki i uruchomienie kaskady procesów w neuronie postsynaptycznym. Istnieją neuroprzekaźniki pobudzające, których uwolnienie wywołuje depolaryzację neuronu postsynaptycznego i jego pobudzenie, oraz hamujące, wywołujące
hyperpolaryzację błony i zmniejszenie pobudliwości neuronu. Głównym neuroprzekaźnikiem pobudzającym w ośrodkowym układzie nerwowym jest kwas
glutaminowy (glutaminian), a hamującym kwas γ-aminomasłowy (GABA). Niezwykłą cechą synaps jest to, że mają zdolność do modyfikacji swojej efektywności. Zjawisko to nosi nazwę plastyczności synaptycznej i leży u podstaw uczenia
się i zapamiętywania. Plastyczność synaptyczna polega, w dużym uproszczeniu,
na zmianie „siły” synapsy, czyli zwiększenia lub zmniejszenia wydajności przewodzenia impulsów nerwowych, wskutek zmian jej aktywności [1]. Sposób, w
jaki dochodzi do wzmocnienia synapsy od wielu lat jest przedmiotem dyskusji.
Receptory glutaminianu pośredniczące w transmisji synaptycznej, przykuwają
uwagę badaczy, ponieważ ich liczba i właściwości mają przemożny wpływ na
efektywność przekazywania pobudzenia. Tradycyjnie uważano, że wystarczającym wyjaśnieniem funkcjonalnych zmian przekaźnictwa są modyfikacje tkwiących w błonie postsynaptycznej receptorów, np. fosforylacja, co prowadzi do
zmiany ich przewodności, czyli przepuszczalności dla jonów czy powinowactwa do glutaminianu. Badania ostatniej dekady zburzyły ten statyczny obraz synapsy i ujawniły jej dynamiczną strukturę, w której receptory stale krążą między
cytoplazmą a błoną postsynaptyczną.
Dorota Nowicka
Instytut Biologii Doświadczalnej PAN im.
M. Nenckiego, Warszawa
Instytut Biologii Doświadczalnej PAN im.
M. Nenckiego, Pracownia Molekularnych
Podstaw plastyczności Mózgu, ul. Pasteura
3, 02-093 Warszawa; e-mail: d.nowicka@
nencki.gov.pl, tel. (022) 589 23 63

Artykuł otrzymano 4 września 2006 r.
Artykuł zaakceptowano 19 września 2006 r.
Słowa kluczowe: receptor, AMPA, NMDA,
synapsa, plastyczność
Wykaz skrótów: AMPA — kwas α-amino3-hydroksy-5-metylo-4-izooksazolopropionowy; BiP — ang. immunoglobulin-binding
protein; CASK — ang. calmodulin-associated
serine/threonine kinase; COPII — ang. coat
protein complex II; ER — siateczka śródplazmatyczna; ERK/MAPK — ang. extracellular signal-regulated kinase/mitogen activated
protein kinase; KIF — ang. kinesin family;
NMDA — kwas N-metylo-D-asparaginowy; GRIP1/ABP — ang. glutamate receptor
interacting protein 1/AMPA binding protein;
LTD (ang. long term depression) — długotrwałe osłabienie synaptyczne; LTP (ang.
long term potentiation) — długotrwałe
wzmocnienie synaptyczne; NSF — ang. Nethylmaleimide-sensitive fusion protein; PDZ
— ang. PSD-95, disc large, zona occludens 1;
PICK1 — ang. protein interacting with C-kinase-1; PSD-95 — ang. postsynaptic density
95; SAP97 — ang. synapse associated protein
97; SNARE — ang. soluble N-ethylmaleimide-sensitive-factor attachment protein receptor;
TARP — ang. transmembrane AMPA receptor
regulatory protein
Większa część przekaźnictwa z udziałem glutaminianu odbywa się za pośrednictwem dwóch klas receptorów: receptorów AMPA (kwas α-amino-3-hydroksy-5-metylo-4-izooksazolopropionowy), przepuszczalnych dla jonów sodu
i potasu oraz receptorów NMDA (kwas N-metylo-D-asparaginowy), przepuszczalnych dodatkowo dla wapnia [2]. Każdy z nich odgrywa nieco inną rolę w
przekaźnictwie synaptycznym: receptory AMPA biorą udział w podstawowej
transmisji synaptycznej, podczas gdy receptory NMDA, przepuszczalne dla jonów wapnia, aktywowane są przy silnym pobudzeniu komórki i są istotnym
elementem w indukowaniu zmian plastycznych. Receptory jonotropowe glutaminianu są prawdopodobnie tetramerami, składającymi się z kilku rodzajów
podjednostek. Skład podjednostkowy stanowi o właściwościach danego receptora, dlatego też podlega ścisłej regulacji [3]. Większość białek receptorów neuPostępy Biochemii 52 (4) 2006
4-2006.indb 351
351
2006-11-23 12:18:38
roprzekaźników syntetyzowana jest w ciele neuronu i tam
też dochodzi do tworzenia kompleksów receptorowych,
które następnie transportowane są do synapsy [4]. Synteza i
transport receptorów są procesami, na które składa się wiele
etapów. Wydaje się, że każdy z nich może być regulowany
w sposób zależny od aktywności neuronalnej i w ten sposób
przyczyniać się do powstawania zjawisk plastycznych.
Receptory AMPA
Synteza i eksport z siateczki
śródplazmatycznej
Znane są cztery geny kodujące podjednostki receptora
AMPA: GluR1, GluR2, GluR3 i GluR4. Receptory AMPA
są heterotetramerami, zbudowanymi prawdopodobnie z
czterech podjednostek ułożonych w rozmaitych kombinacjach. Podjednostki receptora charakteryzują się wysokim
stopniem homologii i zbliżoną budową [2]. Posiadają dużą
domenę N-końcową, zlokalizowaną na zewnątrz komórki,
cztery domeny wewnątrzbłonowe TM1–TM4 oraz najbardziej zmienną ewolucyjnie domenę C-końcową. Domena
TM2, współtworząca kanał receptora, nie penetruje przez
całą szerokość błony, stanowiąc raczej hydrofobową pętlę
zagłębioną w błonie od strony cytoplazmy (Ryc. 1), przez
Rycina 1. Schemat budowy podjednostki GluR2 receptora AMPA i podjednostki
NR1 receptora NMDA. N-koniec obu podjednostek położony jest na zewnątrz
komórki, natomiast C-koniec skierowany jest do cytoplazmy. W domenie TM2
podjednostki GluR2 zaznaczono miejsce edytowania (Q/R) odpowiedzialne za
regulację przepuszczalności receptora dla jonów wapnia oraz za regulację eksportu receptorów z siateczki śródplazmatycznej. Domena C-końcowa GluR2 zawiera miejsce wiązania czynnika NSF, regulującego egzo- i endocytozę GluR2,
oraz sekwencję rozpoznającą białka z rodziny PDZ. W domenie C-końcowej
podjednostki NR1 receptora NMDA zaznaczono miejsce różnicowego składania
eksonów C2/C2’.
352
4-2006.indb 352
co C-końcowa domena białka skierowana jest do wewnątrz
i stanowi punkt zaczepienia dla innych białek. Podjednostki
GluR1 i GluR4 mają długie domeny C-końcowe, natomiast
podjednostki GluR2 i GluR3 — krótkie [5].
Z badań nad składem podjednostkowym receptorów z
hipokampa mózgu szczura wynika, że naczęściej spotykane kombinacje to GluR1/GluR2 oraz GluR2/GluR3 [6].
Mechanizm łączenia się monomerów w określone kombinacje nie jest dokładnie poznany. Wydaje sie, że istotną rolę
może tu odgrywać domena N-końcowa, bowiem delecja
najbardziej proksymalnej części tej domeny znosi zdolność
oligomeryzacji takiego białka [4]. Kompleksy GluR1/GluR2
stosunkowo szybko opuszczają siateczkę śródplazmatyczną i kierowane są do aparatu Golgiego, gdzie ulegają glikozylacji. Natomiast kompleksy GluR2/GluR3 pozostają
w siateczce śródplazmatycznej znacznie dłużej. De facto,
duża pula GluR2 związana z GluR3 (ok. 60 % całkowitego
GluR2) zdaje się funkcjonować w siateczce śródplazmatycznej jako stabilna pula niedojrzałych, częściowo tylko glikozylowanych receptorów (Ryc. 2). Co ciekawe, uwięzienie
podjednostki GluR2 w siateczce śródplazmatycznej zależy
w głównej mierze od jednego tylko elementu — obecności
reszty argininy w tzw. miejscu Q/R położonym w regionie
uczestniczącym w formowaniu kanału jonowego [7]. Podczas transkrypcji kodon kodujący glutaminę zostaje zamieniony na kodon argininy. Zamiana ta ma ogromny wpływ
na właściwości receptora, powoduje bowiem zablokowanie
kanału jonowego dla jonów wapnia [8]. Pomiary elektrofizjologiczne wskazują, że synaptyczne receptory AMPA są
w przeważającej większości nieprzepuszczalne dla wapnia,
większość z nich musi więc zawierać podjednostkę GluR2
w formie redagowanej. Być może pula wewnątrzkomórkowa, związana z siateczką śródplazmatyczną, stanowi zapas
tej kluczowej dla funkcjonowania receptora podjednostki.
Nie jest jeszcze poznane białko, które przetrzymuje GluR2
w siateczce śródplazmatycznej. Badania wykonane metodą
koimmunoprecypitacji GluR2 z innymi białkami wykazały
Rycina 2. Selektywny mechanizm eksportu receptorów o różnym składzie podjednostkowym. Receptory GluR1/GluR2, po pobudzeniu neuronu opuszczają
bez przeszkód siateczkę śródplazmatyczną (ER) transportowane przez SAP97.
Niewielka liczba receptorów GluR2/GluR3 opuszcza siateczkę śródplazmatyczną przy udziale PICK1, większość pozostaje w błonie siateczki śródplazmatycznej, zatrzymana przez lokalne białka szaperonowe, wiążące się z GluR2.
www.postepybiochemii.pl
2006-11-23 12:18:42
ścisłe współwystępowanie tej podjednostki z białkiem BiP
(ang. immunoglobulin binding protein) i kalneksyną, białkami opiekuńczymi charakterystycznymi dla siateczki śródplazmatycznej, zaangażowanymi w proces kontroli prawidłowego zwijania nowo zsyntetyzowanych białek [9]. Być
może białka te, oprócz typowej dla białek opiekuńczych
funkcji, odpowiedzialne są również za przetrzymywanie
frakcji niedojrzałych receptorów w błonie siateczki śródplazmatycznej, służących jako pula zapasowa. Eksport receptorów AMPA z siateczki śródplazmatycznej zależy również
od obecności sekwencji rozpoznających domeny PDZ (ang.
PSD-95, disc large, zona occludens 1). C-końcowy fragment
podjednoski GluR2 wiąże się między innymi z domeną
PDZ białka PICK1 (ang. protein interacting with C-kinase-1).
Białko to, wykrywane zwykle we frakcji synaptosomalnej,
wykryto również w siateczce śródplazmatycznej gdzie, jak
się wydaje, bierze udział w regulacji wczesnych etapów eksportu receptorów AMPA [10].
Mimo istnienia mechanizmu aktywnie zatrzymującego
kompleksy GluR2/GluR3 w siateczce śródplazmatycznej,
część tych receptorów eksportowana jest do synapsy. Proces
ten ma charakter konstytutywny, jest w dużym stopniu niezależny od aktywności neuronu i służy podtrzymaniu podstawowej transmisji pobudzającej [11]. Natomiast transport
receptorów GluR1/GluR2 jest regulowany przez aktywność
neuronalną i zależy od pobudzenia receptora NMDA. Sądzi
się, że inicjowane przez zwiększoną aktywność neuronu
wbudowywanie receptorów GluR1/GluR2 leży u podstaw
szybkich zmian plastycznych, których najlepiej opisanym
przykładem jest długotrwałe wzmocnienie synaptyczne
(LTP, ang. long term potentiation) [12]. C-koniec podjednostki
GluR1 również zawiera sekwencje wiążące się z domenami
PDZ. W przypadku tej podjednostki wykazano, że wiąże się
ona z PDZ białka SAP97 (ang. synapse associated protein 97)
[13]. Jest to jak dotąd jedyne znane białko wiążące się z Ckońcową domeną GluR1. Białko SAP97, wykryte początkowo w presynaptycznej części synapsy, jest obecne również
w cytoplazmie i współwystępuje z niedojrzałymi, częściowo glikozylowanymi receptorami AMPA w przedziale ER
– cis-Golgi [14]. Zmutowanie domeny wiążącej SAP97 w
podjednostce GluR1 znosi indukowane aktywnością neuronalną pojawianie się receptorów GluR1/GluR2 w błonie
postsynaptycznej, sugerując udział SAP97 w transporcie receptorów do synapsy [15].
Transport receptorów wzdłuż dendrytów
i w kolcach dendrytycznych
Większość mRNA kodującego podjednostki receptorów
glutaminianu znajduje się w ciele neuronu. Tam też dochodzi do syntezy białka, tworzenia kompleksów receptorowych i ich dojrzewania w aparacie Golgiego. Gotowy
receptor musi być więc przetransportowany, czasem na
dużą odległość, wzdłuż dendrytów. Pęcherzyki błonowe
zawierające receptory AMPA są aktywnie transportowane
wzdłuż dendrytów przez białka motoryczne z rodziny kinezyn (Ryc. 3) [16]. Szczegółowy mechanizm tego zjawiska
nie jest jeszcze opisany. Prawdopodobnie uczestniczy w
nim białko GRIP1/ABP (ang. glutamate receptor interacting
protein 1/AMPA binding protein), należące do większej rodziny białek zawierających kilka domen PDZ. W dużej ilości
występuje w synapsach, ale znajdowane jest również w pęPostępy Biochemii 52 (4) 2006
4-2006.indb 353
Rycina 3. Transport receptorów AMPA wzdłuż włókien cytoszkieletu. Ruch receptorów AMPA wzdłuż mikrotubul wymaga interakcji pomiędzy C-końcem
podjednostki GluR2 i domeną PDZ białka GRIP/ABP, które z kolei oddziałuje z
kinezyną KIF1 poprzez białko liprin-α. W kolcach dendrytycznych, które nie zawierają mikrotubul ruch receptorów odbywa się wzdłuż filamentów aktynowych
za pośrednictwem białek 4.1N/G.
cherzykach opuszczających aparat Golgiego, gotowych do
dalszego transportu. GRIP1/ABP rozpoznaje podjednostki
GluR2, GluR3, oraz GluR4, jak również ma zdolność bezpośredniego wiązania kinezyny [17,18]. Takie potrójne kompleksy GluR2, GRIP1/ABP/kinezyna wykrywa się metodą
koimmunoprecypitacji w lizatach z mózgu. Do kompleksu
GRIP1/ABP/GluR2 przyłącza się też białko liprin-α, rozpoznające specyficzną neuronalnie kinezynę KIF1A (ang. kinesin family protein 1A) oraz białko GIT1, wiążące się z kolei z
liprin-α [19-21]. Jego funkcja w transporcie kompleksu jest
niejasna, niemniej jednak zaburzenie oddziaływania tego
białka z liprin-α powoduje znaczący spadek poziomu synaptycznych receptorów AMPA [19].
Końcowy etap wędrówki wzdłuż włókien cytoszkieletu
odbywa się w kolcach dendrytycznych, na których umiejscowiona jest większość synaps pobudzających. Kolce
dendrytyczne nie zawierają mikrotubul, receptory transportowane są więc wzdłuż włókien aktynowych. Mechanizm tego transportu jest bardzo słabo poznany, wiadomo
jednak, że depolimeryzacja aktyny powoduje zaburzenia w
dostarczaniu receptorów do synapsy [22]. Prawdopodobnym pośrednikiem między receptorem AMPA a cytoszkieletem aktynowym są adaptorowe białka 4.1N i 4.1G, kotwiczące rozmaite białka do szkieletu aktynowego. Mają one
zdolność wiązania się z podjednostką GluR1 i GluR4 w Ckońcowej części tych białek [23]. Wykazano, że prawidłowe
funkcjonowanie białka 4.1N jest warunkiem pojawienia się
receptorów AMPA na powierzchni błony postsynaptycznej
[23], jednak molekularne podstawy tego zjawiska wymagają dalszych badań.
Wbudowywanie się receptorów AMPA
do błony postsynaptycznej
Ostatnim etapem na długiej drodze receptorów do synapsy jest ich wbudowanie w błonę postsynaptyczną. Jest
to poces niezwykle dynamiczny. Wydaje się, że przynajmniej część receptorów podlega naprzemiennej egzocytozie i
internalizacji [24]. Kierowanie receptorów do błony postsy-
353
2006-11-23 12:18:42
naptycznej odbywa się na drodze oddziaływania domeny
C-końcowej podjednostek receptorowych z wieloma białkami. Jak już wspomniano, receptory GluR1/GluR2 docierają
do synapsy w odpowiedzi na pobudzenie komórki dzięki
oddziaływaniom z białkiem SAP97, natomiast receptory
GluR2/GluR3 korzystają z innego mechanizmu transportowego, angażującego PICK1–GRIP1/ABP. Jak się wydaje,
białka te uczestniczą także w końcowym etapie transportu
receptorów do błony oraz ich stabilizacji [10] (Ryc. 4). Ponieważ zawierają one wiele domen PDZ, mogą służyć jako
pomosty łączące receptory z wieloma innymi białkami, np.
białkami rusztowania (ang. scaffolding proteins) lub kinazami, fosforylującymi receptory i w ten sposób wpływającymi
na ich właściwości.
Oprócz wyżej wspomnianych, również inne białka wykrywane są w kompleksach z receptorami AMPA. Należą
do nich NSF (ang. N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein),
stargazyna (ang. stargazin), obecne w zagęszczeniu postsynaptycznym (PSD, ang. postsynaptic density). NSF, ATPaza
zaangażowana w procesy fuzji błon plazmatycznych wiąże się bezpośrednio z podjednostką GluR2 [25]. Z drugiej
strony posiada też zdolność oddziaływania z kompleksami
białkowymi SNARE (ang. soluble N-ethylmaleimide-sensitivefactor attachment protein receptor), obecnymi w części postsynaptycznej synapsy, do których należy vSNARE na pęcherzykach i tSNARE na błonie docelowej. Zniszczenie kompleksów SNARE, np. przy użyciu botuliny podanej do zakończenia postsynaptycznego, wywołuje znaczący spadek
transmisji synaptycznej zależnej od receptorów AMPA [26],
a zablokowanie wiązania NSF i podjednostki GluR2 powoduje zmniejszenie powierzchniowej ekspresji receptorów
AMPA oraz zależnej od nich transmisji [27,28]. Wszystkie te
obserwacje wskazują na uzależnienie obecności funkcjonalnych receptorów AMPA w synapsie od procesów fuzji błon
plazmatycznych, a więc od egzocytozy.
W dostarczaniu receptorów AMPA do błony postsynaptycznej prawdopodobnie bierze również udział stargazyna
oraz jej homologi tworzące rodzinę TARP (ang. transmembrane AMPAR regulatory proteins) [29]. Białka te niewybiórczo
wiążą się ze wszystkimi znanymi podjednostkami receptora
AMPA oraz z domeną PDZ białka PSD-95 (ang. post-synap-
Rycina 4. Lokalny transport receptorów AMPA w synapsie. Receptory GluR1/
GluR2 docierają do synapsy za pośrednictwem białka SAP97. Receptory GluR2/
GluR3 związane z białkiem GRIP/ABP są wbudowywane w błonę do błon przy
udziale czynnika NSF. NSF konkuruje o miejsce wiązania z AP2, odpowiedzialnym za internalizację tych receptorów.
354
4-2006.indb 354
tic density-95), niezwykle istotnym składnikiem zagęszczenia postsynaptycznego, tworzącym jego rusztowanie [29].
Powiązanie receptorów z PSD-95 poprzez stargazynę jest
niezbędne, aby pojawić się mogły w błonie postsynaptycznej [30]. Pozbawienie stargazyny ostatnich czterech aminokwasów rozpoznających domenę PDZ w białku PSD-95
powoduje, że receptory AMPA pojawiają się, co prawda, na
powierzchni komórki, ale poza obszarem synapsy. Ciekawe, że stargazyna wykrywana jest w towarzystwie receptorów AMPA również na wczesnych etapach ich biosyntezy,
o czym świadczy jej współwystępowanie z niedojrzałymi,
częściowo glikozylowanymi podjednostkami [29].
Nie jest jasne jak te dwa mechanizmy, selektywny w
stosunku do podjednostek receptora oraz nieselektywny,
współpracują ze sobą w procesie regulacji liczby receptorów
AMPA w synapsie. Sugeruje się, że mechanizm nieselektywny, zależny od białek TARP miałby nadrzędną funkcję
zapewniając stały dopływ receptorów gotowych do wbudowania w błonę postsynaptyczną, natomiast mechanizm selektywny mógłby decydować o konkretnym składzie podjednostkowym i w efekcie o właściwościach biofizycznych
receptorów oraz plastyczności [29].
Usuwanie receptorów AMPA z synapsy
Usuwanie receptorów z błony postsynaptycznej jest tak
samo istotnym etapem regulacji siły synapsy i plastyczności synaptycznej jak ich inkorporacja. Stwierdzono, że
określona pula receptorów ulega ciągłej rotacji. Sądzi się, że
zarówno konstytutywna jak i stymulowana internalizacja
receptorów zachodzi na drodze mechanizmu zależnego od
klatryny, typowego dla wielu białek błonowych [31]. Konstytutywny obrót receptorów jest nieselektywny w stosunku do podjednostek receptora i dotyczy zarówno GluR1 i
GluR2/3 [31]. Ciekawe, że eksperymentalna ingerencja w
procesy endocytozy nie obniża liczby receptorów AMPA w
błonie postsynaptycznej, sugerując istnienie mechanizmu
współkontrolującego endo- i egzocytozę, zabezpieczającego obecność stałej liczby receptorów w błonie i tym samym
transmisję synaptyczną przed zaburzeniami [32]. Regulowana endocytoza, prowadząca do zmiany poziomu receptorów w błonie wydaje się zależeć również od aktywności
synaptycznej i pobudzenia receptorów AMPA lub NMDA,
lub też od działania innych czynników. Wykazano np., że
w warunkach doświadczalnych insulina wywołuje endocytozę receptorów, nie wpływając jednocześnie na proces
egzocytozy, co skutkuje zmniejszeniem liczby receptorów
AMPA na powierzchni i osłabieniem transmisji synaptycznej [31]. Taki mechanizm być może leży u podstaw niektórych procesów plastycznych, takich jak np. długotrwałe
osłabienie synaptyczne (LTD) [6,11]. Regulowana insuliną
endocytoza wydaje się być procesem wybiórczym w stosunku do składu podjednostkowego i dotyczy określonej
puli receptorów zawierających podjednostkę GluR2. Opiera się na oddziaływaniach białka NSF z jej C-końcem [31].
W postaci związanej z GluR2, NSF stabilizuje receptory
AMPA w błonie postsynaptycznej. W regulacji endocytozy
uczestniczy również PICK1, którego obecność stymuluje internalizację kompleksów receptorowych. Białko PICK1 ma
zdolność wiązania kinazy C. W kompleksie z PICK1/GluR2
kinaza C fosforyluje podjednostkę GluR2 i blokuje jej odwww.postepybiochemii.pl
2006-11-23 12:18:43
działywanie z GRIP/ABP mającym zdolność utrzymania
receptorów AMPA w błonie. Oddziaływanie PICK1–GluR2
jest regulowane przez czynnik NSF. Związanie czynnika z
podjednostką GluR2 indukuje jego aktywność ATPazową i
powoduje dysocjację kompleksu PICK1–GluR2, umożliwienie wiązania GRIP/ABP i stabilizację receptorów w błonie
postsynaptycznej [33]. Odłączenie NSF, oprócz opisanych
powyżej skutków, prawdopodobnie prowadzi również do
odblokowania miejsca wiązania kompleksu adaptorowego
AP2, który inicjuje zależną od klatryny szybką endocytozę
receptorów [34].
Wydaje się jednak, że procesy endo– i egzocytozy nie
zachodzą bezpośrednio w obrębie zagęszczenia synaptycznego. Receptory AMPA mają zdolność dyfuzji bocznej w
błonie plazmatycznej. Stymulacja neuronów glutaminianem zwiększa ich ruchliwość w błonie i redukuje zlokalizowaną w synapsie stabilną, mało ruchliwą pulę receptorów
na korzyść ruchliwych receptorów pozasynaptycznych [35].
Również podczas LTD, obserwuje się przyspieszoną dyfuzję
receptorów z synapsy do okolic przylegających, a następnie
dopiero ich internalizację na drodze endocytozy. Hipotezę
tę potwierdza odkrycie „gorących plam” endocytozy zlokalizowanych w pobliżu zagęszczenia postsynaptycznego
[36]. To może wskazywać na udział dyfuzji bocznej receptorów w regulacji ich liczby podczas procesów plastycznych.
Mechanizmy regulujące dyfuzję boczną receptorów nie są
jeszcze wyjaśnione. Wydaje sie jednak, że istotną rolę może
tu odgrywać lokalne stężenie wapnia. Wiadomo bowiem,
że wzrost jego stężenia prowadzi do zmniejszenia ruchliwości receptorów w błonie cytoplazmatycznej, być może
poprzez modyfikację oddziaływań receptora i białka rusztowania, lub poprzez wpływ na organizację cytoszkieletu
podbłonowego [35].
Dalsze losy receptorów, które uległy internalizacji zależą od stopnia pobudzenia neuronu. W warunkach podstawowej transmisji synaptycznej (kiedy receptory NMDA są
w dużej mierze nieaktywne) większość internalizowanych
receptorów ulega ponownemu wbudowaniu do błony synaptycznej. W przypadku silnego pobudzenia synapsy
aktywacji ulegają zarówno receptory AMPA jak i NMDA.
W badaniach przeprowadzonych na hodowlach neuronów stwierdzono, że w przypadku pobudzenia receptorów
AMPA powrót receptorów do błony jest bardzo powolny
i nie wszystkie receptory ponownie są wbudowywane w
błonę, podczas gdy pobudzenie receptorów NMDA powoduje gwałtowny i niemal całkowity powrót internalizowanych receptorów AMPA do błony (Ryc. 5). Niezależnie od
tego, przez jaki receptor wywołana została internalizacja
receptorów, trafiają one do wczesnego endosomu. Stamtąd
receptory internalizowane wskutek pobudzenia receptora
AMPA trafiają do późnego endosomu i do kompartmentu
lizosomalnego, a receptory internalizowane po pobudzeniu
receptora NMDA ulegają recyklingowi. Procesowi internalizacji receptora AMPA po pobudzeniu przez receptory
NMDA towarzyszy szybka defosforylacja podjednostki
GluR1, po której następuje jej szybka ponowna fosforylacja,
skorelowana z kolei z powtórnym wbudowaniem receptora
w błonę [32]. Sugeruje to prostą regulację wędrówki receptora poprzez jego fosforylację.
Receptory NMDA
Receptory NMDA odgrywają kluczową rolę w wielu formach plastyczności mózgu. Ich pobudzenie jest niezbędne
dla powstania długotrwałego wzmocnienia synaptycznego LTP, ale i dla długotrwałego osłabienia synaptycznego
LTD w większości zbadanych sieci neuronów [1]. Receptory
NMDA zbudowane są, podobnie jak inne receptory jonotropowe glutaminianu, z czterech podjednostek. Znanych jest
kilka genów kodujących podjednostki receptora NMDA:
NR1, NR2A-D, oraz NR3 [2]. Budowa podjednostek receptora NMDA jest zbliżona do opisanej dla receptora AMPA
(Ryc. 1).
Eksport receptorów NMDA z ER
Rycina 5. Sortowanie internalizowanych receptorów AMPA. Po pobudzeniu receptorów AMPA glutaminianem internalizowane receptory kierowane są do późnego endosomu i w efekcie do degradacji. Stymulacja receptora NMDA wywołuje internalizację receptorów AMPA, po której następuje szybkie powtórne ich
wbudowanie.
Postępy Biochemii 52 (4) 2006
4-2006.indb 355
Pierwszy etap regulacji receptorów
NMDA odbywa się już na etapie transkrypcji i zależy od pobudzenia neuronu, a
polega na alternatywnym włączaniu bądź
wyłączaniu (ang. alternative splicing) eksonu 22 z sekwencji mRNA kodującego podjednostkę NR1. W sytuacji zablokowania
aktywności neuronalnej ekson 22 jest usuwany z pre-mRNA NR1, co skutkuje syntezą podjednostki NR1 zawierającej tzw. domenę C2’ w C-końcowej części sekwencji
NR1. Natomiast silne pobudzenie neuronu
inicjuje włączenie eksonu 22 i zmianę sekwencji C-końcowej na taką, która koduje
domenę C2. Domena C2’ zawiera sekwencje ułatwiające uwalnianie NR1 z siateczki śródplazmatycznej poprzez wiązanie
kompleku COPII (ang. coat protein complex
II) i kierowanie receptora do miejsc, z których uwalniane są pęcherzyki migrujące
następnie do dalszych przedziałów błonowych [37,38]. W sytuacji niskiego pobudze-
355
2006-11-23 12:18:43
domena C-końcowa
podjednostek receptorowych, oddziałująca
z domenami PDZ białek wspomagających
transport. Podjednostka NR1 posiada raczej krótki C-koniec,
w dodatku najczęściej
spotykany wariant nie
zawiera żadnej domeny PDZ. Natomiast
podjednostki
NR2
mają długie C-końcowe domeny, mające
zdolność rozpoznawania domen PDZ. Dane
eksperymentalne potwierdziły teoretyczne przewidywania i
wykazały, że homomeryczne receptory
NR1 pozostają w ER,
natomiast podjednostki NR2 przemieszczają się do synaps
[39]. Co więcej, heteromeryczne receptory
NR1/NR2
również
ulegają
translokacji,
co świadczy o zdolności podjednostek NR2
do uwalniania NR1 z
uwięzi. Potwierdziły
się też przypuszczenia
o istotnej roli domen
PDZ
podjednostek
NR2 w tym procesie,
aczkolwiek po ich
Rycina 6. Model zależnego od aktywności eksportu receptorów NMDA z siateczki śródplazmatycznej (ER). Przy niskiej aktywności
usunięciu z białka
neuronalnej w wyniku różnicowego składania mRNA NR1 powstają formy NR1-C2’, sprzyjające szybkiemu eksportowi podjednostki
NR1 z siateczki śródplazmatycznej. Stymulacja neuronu przesuwa równowagę na korzyść form C2, zatrzymywanych w siateczce śród- niewielka część replazmatycznej.
ceptorów nadal była
transportowana do
nia neuronalnego mamy więc do czynienia ze zwiększonym
synaps, co sugeruje
uwalnianiem receptora NMDA z siateczki śróplazmatyczistnienie dodatkowego mechanizmu transportu, niezależnej. Prawdopodobnie prowadzi to do zwiększenia dostępnego od oddziaływań z PDZ [39].
ności receptora dla inkorporacji w błony postsynaptyczne
Transport receptorów wzdłuż dendrytów odbywa się za
i tym samym przyczynia się do utrzymania homeostazy.
pośrednictwem kinezyny KIF17 wiążącej się z podjednostPodobnie, mechanizm ten działa w odwrotnym kierunku
ką NR2B poprzez białko LIN 10 [40]. W obrębie kolca den(Ryc. 6). Sposób, w jaki aktywność neuronalna wpływa na
drytycznego receptory transportowane są prawdopodobnie
obróbkę mRNA NR1 nie jest poznany. Sugeruje się tu udział
przez miozyny lub inne białka motoryczne, związane ze
kinaz białkowych, które regulują zarówno różnicowe skłaszkieletem aktynowym [41].
danie jak i liczbę receptorów NMDAw synapsie. Wydaje
się, że kinaza białkowa A i kinaza białkowa C mają zdolLokalny transport receptorów NMDA
ność synergistycznej fosforylacji, stymulującej opuszczenie
w zakończeniu postsynaptycznym
siateczki śródplazmatycznej przez podjednostkę NR1 [37].
Receptory NMDA podlegają stałemu cyklowi wbudowywania i internalizacji do i z błony postsynaptycznej na
Transport receptorów NMDA z ER do synapsy
drodze egzo- i endocytozy [42]. Analogicznie jak w przypadku receptorów AMPA, liczba receptorów NMDA jest
Jak wynika z badań nad receptorami AMPA, w transwynikiem ustalonej równowagi między szybkościami z
porcie receptorów glutaminianu z siateczki śródplazmajakimi zachodzą te procesy. Co więcej, równowaga ta jest
tycznej do synapsy istotną rolę odgrywa cytoplazmatyczna
356
4-2006.indb 356
www.postepybiochemii.pl
2006-11-23 12:18:44
wyraźnie zależna od aktywności neuronalnej. Kinaza białkowa C sześciokrotnie zwiększa tempo inkorporacji receptorów NMDA w błony na drodze egzocytozy regulowanej
przez kompleksy SNARE [43]. W błonie postsynaptycznej
receptory NMDA zakotwiczone są poprzez białka rusztowania zagęszczenia postsynaptycznego. Podjednostki NR2
mają zdolność wiązania się z domeną PDZ białka PSD-95
[44]. Poprzez PSD-95 receptory NMDA mają możliwość oddziaływań z kompleksem sygnałowym, obejmującym m.in.
syntazę tlenku azotu i synGAP (ogniwo łączące receptor
NMDA z kaskadą ERK/MAPK) [45-47].
Endocytoza receptorów NMDA również jest regulowana
przez aktywność synaptyczną. Niskoczęstotliwościowa stymulacja, pobudzenie receptorów metabotropowych glutaminianu czy związanie liganda — wszystkie te procesy stymulują związanie receptora z kompleksem AP2 i internalizację receptora [37]. Egzocytoza i endocytoza receptorów
NMDA, podobnie jak AMPA, zachodzi w wyspecjalizowanych obszarach położonych pozasynaptycznie [36,48]. Receptory w położeniu pozasynaptycznym stanowią ruchliwą
pulę, łatwo dostępną w razie potrzeby.
Nie tylko liczba, ale i skład podjednostkowy receptora
NMDA jest modyfikowany w procesie lokalnego transportu w synapsie. Insercja podjednostek NR2B ma charakter
konstytutywny i nie wymaga aktywności synaptycznej,
podczas gdy podjednostka NR2A pojawia się w synapsie
po pobudzeniu neuronu [39]. Również internalizacja podjednostek na drodze endocytozy zachodzi z różną wydajnością, podjednostki NR2A i NR2B mają bowiem różniące
się między sobą sekwencje rozpoznawane przez kompleks
AP2, mające różne do niego powinowactwo [42,49]. Rzeczywiście, endocytoza podjednostki NR2B zachodzi szybciej niż NR2A [42]. Podjednostki NR2B są znacznie częściej
wykrywane w położeniu pozasynaptycznym, co również
przyczyniać się może do zwiększenia tempa internalizacji.
Po endocytozie pęcherzyki zawierające podjednostki NR2A
kierowane są najczęściej do późnego endosomu i przeznaczone do degradacji, natomiast pęcherzyki niosące podjednostkę NR2B podlegają recyklingowi [49].
Receptory kainianowe
W przeciwieństwie do receptorów AMPA, które uczestniczą w głównej transmisji synaptycznej, receptory kainianowe są odpowiedzialne raczej za regulowanie aktywności
sieci neuronalnych [50]. Pełnią rozmaite funkcje w neuronach, zależnie od miejsca, w którym są zlokalizowane. Receptory kainianowe znajdowane są w synapsach lub perisynaptycznie, występują też presynaptycznie, gdzie działają
jako autoreceptory regulujące wydzielanie glutaminianu.
Nie stwierdzono żadnej specyficzności co do pre- lub postsynaptycznej lokalizacji poszczególnych typów podjednostek. Molekularny mechanizm sortowania receptorów
kainianowych do aksonów lub dendrytów ciągle pozostaje
nieznany. Receptor kainianowy jest tetramerem, w którego
skład mogą wchodzić podjednostki GluR5, GluR6, GluR7,
KA1 i KA2 [51]. Dodatkowe urozmaicenie wprowadza różnicowe cięcie i składanie mRNA, stwierdzone w przypadku podjednostek GluR5 -7, oraz edycja mRNA [2]. Budowa
podjednostki receptora kainianowego jest bardzo zbliżona
Postępy Biochemii 52 (4) 2006
4-2006.indb 357
do podjednostek innych receptorów glutaminianu, z zewnątrzplazmatyczną częścią N-końcową i C-końcowym
cytoplazmatycznym ogonem.
Podobnie jak inne receptory glutaminianu, tetramery receptorów kainianowch składane są już w siateczce śródplazmatycznej [52]. O eksporcie z siateczki śródplazmatycznej,
a raczej o zatrzymaniu podjednostki receptorowej w przedziale wewnątrzkomórkowym decyduje obecność określonej sekwencji białkowej w C-końcowej domenie receptora.
Wykryto takie sekwencje w podjednostkach KA1 i GluR5c
(jeden z wariantów różnicowego składania). W kompleksach homomerycznych podjednostki te nie opuszczają ER
[53,54]. Opuszczają one siateczkę śródplazmatyczną dzięki
podjednostce GluR6a, która zarówno w kompleksach homojak i heteromerycznych łatwo opuszcza siateczkę śródplazmatyczną [53]. Pojawianie się receptorów w synapsie regulowane jest przez oddziaływania C-końcowych domen
podjednostek receptora z domenami PDZ innych białek. Co
ciekawe, zablokowanie oddziaływań C-końca z PDZ nie zaburza transportu receptorów z siateczki śródplazmatycznej,
ma natomiast wpływ na ich wbudowywanie się w błonę
komórkową. Świadczy to o odrębnych mechanizmach regulujących transport receptorów na wczesnym i końcowym
etapie. Podjednostka GluR6a, zarówno in vitro jak in vivo ma
zdolność rozpoznawania takich białek jak PSD-95, SAP97,
SAP102 (ang. 102kDa synapse associated protein), CASK (ang.
calmodulin-associated serine/threonine kinase), synteniny oraz
wspomnianych już GRIP i PICK1 [50]. Również podjednostka GluR5 wiąże GRIP i PICK1 [55]. Podjednostka GluR6
dodatkowo ma zdolność oddziaływania z kompleksami
adhezyjnymi kadheryna – katenina, występującymi szczególnie licznie w obszarach perisynaptycznych. Być może
oddziaływania GluR6 z tymi białkami odpowiedzialne są
za kierowanie receptorów kainianowych do tych właśnie
okolic [56].
Liczba receptorów kainianowych regulowana jest na
drodze endocytozy. W warunkach podstawowej transmisji synaptycznej część receptorów podlega internalizacji.
Zwiększenie aktywności komórki znacznie przyspiesza
tempo tego procesu. Losy pęcherzyków endocytotycznych
są uzależnione od sposobu pobudzenia komórki. Jeśli endocytoza receptorów kainianowych zachodzi wskutek pobudzenia receptora NMDA, receptory szybko wracają do błony. Natomiast aktywacja samych receptorów kainianowych
(aktywacja ligandem) prowadzi do ich szybkiej degradacji
w lizosomach [57].
Podsumowanie
Mimo ogromnego postępu dokonanego w ciągu ostatniej
dekady, wiedza na temat mechanizmów regulacji przekaźnictwa synaptycznego i roli receptorów w plastyczności
układu nerwowego ciągle jest wyrywkowa. Wiele pytań
pozostaje jeszcze otwartych: jakie inne białka oddziałują
z receptorami i jaki mają wpływ na ich funkcję? Czy mechanizmy regulacji receptorów są dla wszystkich rodzajów
neuronów jednakowe? Jakie znaczenie dla przekaźnictwa
i plastyczności mają receptory kainianowe? Niezbędne są
badania opisujące szczegółowo, słabo jak dotąd poznane,
początkowe etapy transportu, w odróżnieniu od tych za-
357
2006-11-23 12:18:44
chodzących w synapsie oraz opisanie maszynerii bezpośrednio uczestniczącej w transporcie receptorów. Z drugiej
strony, niezbędne są badania przeprowadzone na bardziej
fizjologicznych modelach. Należy pamiętać, że większość
danych pochodzi z eksperymentów przeprowadzonych w
najlepszym wypadku na hodowlach pierwotnych neuronów, a głównie z badań nad ekspresją rekombinowanych
receptorów w komórkach nieneuronalnych. Czy wszystkie
dane uzyskane z tych badań zostaną potwierdzone in vivo
— pozostaje nadal nierozstrzygniętą kwestią.
Piśmiennictwo
1. Bliss TV, Collingridge GL (1993) A synaptic model of memory: longterm potentiation in the hippocampus. Nature 361: 31-39
2. Dingledine R, Borges K, Bowie D, Traynelis SF (1999) The glutamate
receptor ion channels. Pharmacol Rev 51: 7-61
3. Rosenmund C, Stern-Bach Y, Stevens CF (1998) The tetrameric structure of a glutamate receptor channel. Science 280: 1596-1599
4. Leuschner WD, Hoch (1999) W Subtype-specific assembly of alphaamino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid receptor subunits is mediated by their n-terminal domains. J Biol Chem 274: 1690716916
5. Passafaro M, Piech V, Sheng M (2001) Subunit-specific temporal and
spatial patterns of AMPA receptor exocytosis in hippocampal neurons. Nat Neurosci 4: 917-926
6. Bredt DS, Nicoll RA (2003) AMPA receptor trafficking at excitatory
synapses. Neuron 40: 361-379
7. Greger IH, Khatri L, Ziff EB (2002) RNA editing at arg607 controls
AMPA receptor exit from the endoplasmic reticulum. Neuron 34: 759772
8. Sommer B, Kohler M, Sprengel R, Seeburg PH (1991) RNA editing in
brain controls a determinant of ion flow in glutamate-gated channels.
Cell 67: 11-19
9. Rubio ME, Wenthold RJ (1999) Calnexin and the immunoglobulin
binding protein (BiP) coimmunoprecipitate with AMPA receptors. J
Neurochem 73:.942-948
10.Esteban JA (2003) AMPA receptor trafficking: a road map for synaptic
plasticity. Mol Interv 3: 375-385
11.Gomes AR, Correia SS, Carvalho AL, Duarte CB (2003) Regulation of
AMPA receptor activity, synaptic targeting and recycling: role in synaptic plasticity. Neurochem Res 28: 1459-1473
12.Collingridge GL, Isaac JT, Wang YT (2004) Receptor trafficking and
synaptic plasticity. Nat Rev Neurosci 5: 952-962
13.Leonard AS, Davare MA, Horne MC, Garner CC, Hell JW (1998)
SAP97 is associated with the alpha-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionic acid receptor GluR1 subunit. J Biol Chem 273: 1951819524
14.Sans N, Racca C, Petralia RS, Wang YX, McCallum J, Wenthold RJ
(2001) Synapse-associated protein 97 selectively associates with a subset of AMPA receptors early in their biosynthetic pathway. J Neurosci
21: 7506-7516
15.Hayashi Y, Shi SH, Esteban JA, Piccini A, Poncer JC, Malinow R (2000)
Driving AMPA receptors into synapses by LTP and CaMKII: requirement for GluR1 and PDZ domain interaction. Science 287: 2262-2267
16.Goldstein LS, Yang Z (2000) Microtubule-based transport systems in
neurons: the roles of kinesins and dyneins. Annu Rev Neurosci 23: 3971
17.Setou M, Seog DH, Tanaka Y, Kanai Y, Takei Y, Kawagishi M, Hirokawa N (2002) Glutamate-receptor-interacting protein GRIP1 directly
steers kinesin to dendrites. Nature 417: 83-87
18.Srivastava S, Osten P, Vilim FS, Khatri L, Inman G, States B, Daly C,
DeSouza S, Abagyan R, Valtschanoff JG, Weinberg RJ, Ziff EB (1998)
Novel anchorage of GluR2/3 to the postsynaptic density by the AMPA
receptor-binding protein ABP. Neuron 21: 581-591
358
4-2006.indb 358
19.Wyszynski M, Kim E, Dunah AW, Passafaro M, Valtschanoff JG, Serra-Pages C, Streuli M, Weinberg RJ, Sheng M (2002) Interaction between GRIP and liprin-alpha/SYD2 is required for AMPA receptor
targeting. Neuron 34: 39-52
20.Ko J, Kim S, Valtschanoff JG, Shin H, Lee JR, Sheng M, Premont RT,
Weinberg RJ, Kim E (2003) Interaction between liprin-alpha and GIT1
is required for AMPA receptor targeting. J Neurosci 23: 1667-1677
21.Shin H, Wyszynski M, Huh KH, Valtschanoff JG, Lee JR, Ko J, Streuli M, Weinberg RJ, Sheng M, Kim E (2003) Association of the kinesin
motor KIF1A with the multimodular protein liprin-alpha. J Biol Chem
278: 11393-11401
22.Kim CH, Lisman JE (2001) A labile component of AMPA receptormediated synaptic transmission is dependent on microtubule motors,
actin, and N-ethylmaleimide-sensitive factor. J Neurosci 21: 4188-4194
23.Shen L, Liang F, Walensky LD, Huganir RL (2000) Regulation of
AMPA receptor GluR1 subunit surface expression by a 4. 1N-linked
actin cytoskeletal association. J Neurosci 20: 7932-7940
24.Malinow R, Malenka RC (2002) AMPA receptor trafficking and synaptic plasticity. Annu Rev Neurosci 25: 103-126
25.Song I, Kamboj S, Xia J, Dong H, Liao D, Huganir RL (1998) Interaction
of the N-ethylmaleimide-sensitive factor with AMPA receptors. Neuron 21: 393-400
26.Lledo PM, Zhang X, Sudhof TC, Malenka RC, Nicoll RA (1998) Postsynaptic membrane fusion and long-term potentiation. Science 279: 399403
27.Nishimune A, Isaac JT, Molnar E, Noel J, Nash SR, Tagaya M, Collingridge GL, Nakanishi S, Henley JM (1998) NSF binding to GluR2
regulates synaptic transmission. Neuron 21: 87-97
28.Noel J, Ralph GS, Pickard L, Williams J, Molnar E, Uney JB, Collingridge GL, Henley JM (1999) Surface expression of AMPA receptors in
hippocampal neurons is regulated by an NSF-dependent mechanism.
Neuron 23: 365-376
29.Nicoll RA, Tomita S, Bredt DS (2006) Auxiliary subunits assist AMPAtype glutamate receptors. Science 311: 1253-1256
30.Chen L, Chetkovich DM, Petralia RS, Sweeney NT, Kawasaki Y, Wenthold RJ, Bredt DS, Nicoll RA (2000) Stargazin regulates synaptic targeting of AMPA receptors by two distinct mechanisms. Nature 408:
936-943
31.Man HY, Lin JW, Ju WH, Ahmadian G, Liu L, Becker LE, Sheng M,
Wang YT (2000) Regulation of AMPA receptor-mediated synaptic
transmission by clathrin-dependent receptor internalization. Neuron
25: 649-662
32.Ehlers MD (2000) Reinsertion or degradation of AMPA receptors determined by activity-dependent endocytic sorting. Neuron 28: 511525
33.Hanley JG, Khatri L, Hanson PI, Ziff EB (2002) NSF ATPase and alpha-/beta-SNAPs disassemble the AMPA receptor-PICK1 complex.
Neuron 34: 53-67
34.Lee SH, Liu L, Wang YT, Sheng M (2002) Clathrin adaptor AP2 and
NSF interact with overlapping sites of GluR2 and play distinct roles
in AMPA receptor trafficking and hippocampal LTD. Neuron 36: 661674
35.Triller A, Choquet D (2005) Surface trafficking of receptors between
synaptic and extrasynaptic membranes: and yet they do move! Trends
Neurosci 28: 133-139
36.Blanpied TA, Scott DB, Ehlers MD (2002) Dynamics and regulation of
clathrin coats at specialized endocytic zones of dendrites and spines.
Neuron 36: 435-449
37.Perez-Otano I, Ehlers MD (2005) Homeostatic plasticity and NMDA
receptor trafficking. Trends Neurosci 28: 229-238
38.Carroll RC, Zukin RS (2002) NMDA-receptor trafficking and targeting:
implications for synaptic transmission and plasticity. Trends Neurosci
25: 571-577
39.Barria A, Malinow R (2002) Subunit-specific NMDA receptor trafficking to synapses. Neuron 35: 345-353
www.postepybiochemii.pl
2006-11-23 12:18:44
40.Guillaud L, Setou M, Hirokawa N (2003) KIF17 dynamics and regulation of NR2B trafficking in hippocampal neurons. J Neurosci 23: 131140
49.Lavezzari G, McCallum J, Dewey CM, Roche KW (2004) Subunit-specific regulation of NMDA receptor endocytosis. J Neurosci 24: 63836391
41.Lei S, Czerwinska E, Czerwinski W, Walsh MP, MacDonald JF (2001)
Regulation of NMDA receptor activity by F-actin and myosin light
chain kinase. J Neurosci 21: 8464-8472
50.Jaskolski F, Coussen F, Mulle C (2005) Subcellular localization and
trafficking of kainate receptors. Trends Pharmacol Sci 26: 20-26
42.Roche KW, Standley S, McCallum J, Dune Ly C, Ehlers MD, Wenthold
RJ (2001) Molecular determinants of NMDA receptor internalization.
Nat Neurosci 4: 794-802
43.Lan JY, Skeberdis VA, Jover T, Grooms SY, Lin Y, Araneda RC, Zheng
X, Bennett MV, Zukin RS (2001) Protein kinase C modulates NMDA
receptor trafficking and gating. Nat Neurosci 4: 382-390
44.Li B, Otsu Y, Murphy TH, Raymond LA (2003) Developmental decrease in NMDA receptor desensitization associated with shift to synapse
and interaction with postsynaptic density-95. J Neurosci 23: 1124411254
45.Krapivinsky G, Krapivinsky L, Manasian Y, Ivanov A, Tyzio R, Pellegrino C, Ben-Ari Y, Clapham DE, Medina I (2003) The NMDA receptor
is coupled to the ERK pathway by a direct interaction between NR2B
and RasGRF1. Neuron 40: 775-784
46.Rumbaugh G, Adams JP, Kim JH, Huganir RL (2006) SynGAP regulates synaptic strength and mitogen-activated protein kinases in cultured neurons. Proc Natl Acad Sci USA 103: 4344-4351
47.Ishii H, Shibuya K, Ohta Y, Mukai H, Uchino S, Takata N, Rose JA, Kawato S (2006) Enhancement of nitric oxide production by association
of nitric oxide synthase with N-methyl-D-aspartate receptors via postsynaptic density 95 in genetically engineered Chinese hamster ovary
cells: real-time fluorescence imaging using nitric oxide sensitive dye. J
Neurochem 96: 1531-1539
51.Madden DR (2002) The structure and function of glutamate receptor
ion channels. Nat Rev Neurosci 3: 91-101
52.Ayalon G, Stern-Bach Y (2001) Functional assembly of AMPA and kainate receptors is mediated by several discrete protein-protein interactions. Neuron 31: 103-113
53.Jaskolski F, Coussen F, Nagarajan N, Normand E, Rosenmund C,
Mulle C (2004) Subunit composition and alternative splicing regulate
membrane delivery of kainate receptors. J Neurosci 24: 2506-2515
54.Hayes DM, Braud S, Hurtado DE, McCallum J, Standley S, Isaac JT,
Roche KW (2003) Trafficking and surface expression of the glutamate
receptor subunit, KA2. Biochem Biophys Res Commun 310: 8-13
55.Hirbec H, Francis JC, Lauri SE, Braithwaite SP, Coussen F, Mulle C,
Dev KK, Coutinho V, Meyer G, Isaac JT, Collingridge GL, Henley JM
(2003) Rapid and differential regulation of AMPA and kainate receptors at hippocampal mossy fibre synapses by PICK1 and GRIP. Neuron 37: 625-638
56.Coussen F, Normand E, Marchal C, Costet P, Choquet D, Lambert M,
Mege RM, Mulle C (2002) Recruitment of the kainate receptor subunit
glutamate receptor 6 by cadherin/catenin complexes. J Neurosci 22:
6426-6436
57.Martin S, Henley JM (2004) Activity-dependent endocytic sorting of
kainate receptors to recycling or degradation pathways. EMBO J 23:
4749-4759
48.Groc L, Heine M, Cognet L, Brickley K, Stephenson FA, Lounis B, Choquet D (2004) Differential activity-dependent regulation of the lateral
mobilities of AMPA and NMDA receptors. Nat Neurosci 7: 695-696
Ionotropic glutamate receptor trafficking — there and back again
Dorota Nowicka
Nencki Institute of Experimental Biology, Laboratory of Molecular Basis of Brain Plasticity, 3 Pasteur St., 02-093 Warsaw, Poland

e-mail: [email protected]
Key words: receptor, AMPA, NMDA, synapse, plasticity
Abstract
Glutamate is a major excitatory neurotransmitter in brain. It engages mainly ionotropic glutamate receptors of AMPA and NMDA type. Thus,
regulation of the number and properties of the receptors is crucial for correct neuronal communication, but also contributes to various forms
of synaptic plasticity, namely neuronal development, learning and memory. Glutamate receptors are not static components of synapses. On
the contrary, they are continuously delivered and removed from postsynaptic membranes and this process is regulated by synaptic activity.
Receptor trafficking to synapses is a multi-step process, involving exit from endoplasmic reticulum, transport along dendrites, incorporation
to postsynaptic membrane and finally removing them from synapses. The transport is regulated by numerous proteins, especially those bearing PDZ domains, or by receptors themselves.
Postępy Biochemii 52 (4) 2006
4-2006.indb 359
359
2006-11-23 12:18:44